浅埋暗挖大跨黄土隧道下穿地下行包通道沉降分析及对策

唐新权

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安　710043)



浅埋暗挖大跨黄土隧道下穿地下行包通道沉降分析及对策

唐新权

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安710043)

摘要：机场地下行包通道沉降控制要求高，且不能中断运行，新建浅埋暗挖大跨黄土隧道下穿施工风险高，施工不当会引起地下行包通道沉降、变形，甚至引起混凝土结构开裂。为找出下穿隧道施工过程中引起通道底沉降的关键步序，更好地控制沉降，采用三维数值模拟方法对新建隧道下穿机场地下行包通道进行了沉降分析，并通过在隧道开挖过程中洞内采用分步开挖、大直径管棚超前预支护、初期支护和二次衬砌背后回填压浆等沉降控制措施，将通道底板沉降控制在3 mm左右，并在施工过程中加强监测，能够保证既有地下行包通道的结构安全。

关键词：大跨黄土隧道； 下穿地下行包通道； 浅埋暗挖法； 三维数值模拟； 沉降分析； 双侧壁导坑； 大管棚； 回填压浆

0引言

地铁区间隧道一般走行于城市繁华地段城市道路下方，临近建筑物密集，尤其是一些地下人行通道、人防工程等。随着各大城市地铁规模化建设和网格化发展，地铁隧道下穿既有建筑是不可避免的。下穿既有建筑物段隧道施工时，必然会引起周围土体的变形，当变形超过一定范围时，会严重危及临近建筑物的安全。在已经实施的众多隧道下穿既有建筑物的工程实例中，大部分以盾构法下穿，盾构法施工沉降控制好，对既有建筑物影响小，施工风险相对较低[1]。部分下穿既有建筑物时采用了矿山法施工，并做了不同程度地分析研究，采取了必要的辅助措施。文献[1]利用MIDAS GTS软件进行三维模拟分析，研究矿山法在隧道下穿既有建筑物工程中的可行性；文献[2]以MIDAS(GTS)软件为工具，运用三维数值分析方法分析了浅埋暗挖隧道施工过程的稳定性；文献[3]通过对某地铁隧道下穿既有人行地下通道的数值模拟分析，讨论了大跨隧道分部开挖施工方法对通道结构的影响。由于下穿既有建筑物时，各工程项目中隧道埋深、地层情况、隧道跨度以及隧道结构与既有建筑物间的净距等差异较大，遇到类似问题还需进行有针对性的分析、研究。

西安北客站至机场城际轨道项目机场站站后折返线区间隧道紧邻机场站设置，先后下穿机场2条地下行包通道。区间隧道结构顶与地下行包通道底最小间距仅1.94 m，且洞身所处地层为湿陷性黄土地层，隧道洞顶埋深不足1倍洞径，施工风险极高，国内类似工程也不多见。本文以此工程项目为依托，采用三维数值模拟方法对新建隧道下穿机场地下行包通道进行了沉降分析，并采取了有针对性的沉降控制措施。

1工程概况

1.1隧道概况

西安北客站至机场城际轨道项目全长27.33 km，共设9座车站，机场站为终点站，站后设折返线。折返线隧道总长256.45 m，线间距为4.8 m，采用浅埋暗挖法施工。折返线隧道先后下穿机场北连接楼下2条地下行包通道,该通道沉降控制要求高，且不能中断运行，新建浅埋暗挖大跨黄土隧道下穿施工风险高，如何采取合理的沉降控制措施，保证既有通道的安全运营是该区间施工的重点和难点。

1.2工程地质及水文地质特征

机场站站后折返线地形略有起伏，场地地貌单元属黄土塬。隧道所处地层从上至下依次为人工填筑土、第四系上更新统风成黄土、残积古土壤、中更新统晚期风成黄土和残积古土壤。湿陷性土层在场地内连续分布，厚度一般为15～20 m，属自重湿陷性黄土场地，湿陷性等级为Ⅲ级(严重)。地下水主要为第四系孔隙潜水，富存于中更新统黄土中。实测稳定水位埋深为26.5～34.6 m，地下水主要的补给来源是大气降水。

1.3隧道与通道的位置关系

区间隧道下穿的地下行包通道共有2条(见图1)，均与T3A航站楼连接，由地下负一层至机场场坪，走行于T3A航站楼与T2航站楼的连接楼下。

图1　隧道行包通道位置关系平面图(单位： cm)

行包通道均为双孔钢筋混凝土框架结构，外轮廓尺寸为4.37 m×10.9 m(高×宽)。行包通道采用明挖法施工，基底采用1 m厚三七灰土和1 m厚的素填土换填。

下穿段区间隧道为单洞双线大跨马蹄形断面，浅埋暗挖法施工，隧道跨度为11.88 m，区间隧道结构顶与地下行包通道底最小间距仅1.94 m(见图2)。

图2　隧道与通道位置关系横剖面图(单位： cm)

2沉降控制措施

下穿段区间隧道处于黄土地层中，而黄土具有显著的垂直节理，土质疏松，在干燥时较坚硬，一旦遇水浸泡，通常具有容易剥落、侵蚀和湿陷的特性，尤其在隧道跨度较大时，容易发生塌方、变形、引起既有建筑物沉降、开裂等风险。

为确保行包通道结构及区间隧道施工安全，每循环开挖前应做好超前预支护，选择合理的注浆材料加固围岩，并适当增大预支护刚度；洞内开挖时采用双侧壁导坑法分步开挖，短进尺，及早封闭初期支护，并根据监控量测情况，及时施作二次衬砌；初期支护及二次衬砌封闭后及时进行回填压浆，严格控制行包通道沉降、变形。

2.1超前预支护

大管棚及小导管等超前预支护是洞身开挖过程中的主要承载结构，可以提高开挖时洞周的稳定性，防止围岩松弛引起塌方[4]。

图3新建隧道与行包通道位置关系纵剖面图(单位： cm)

Fig. 3Longitudinal profile of tunnel and baggage-dedicated gallery(cm)

下穿段分别通过机场站和区间端头地下风机房施工，即在YDK27+904～+910和YDK27+975～+981设置2处管棚工作室(见图3)，拱部150°范围相向各打设1环φ203(壁厚8 mm)大管棚，大管棚长35 m，外插角为0～1°，环向间距0.3 m[5]；边墙设置φ42超前小导管，小导管长3.5 m，壁厚3.5 mm，环向间距0.3 m，纵向间距2.0 m，外插角10°。考虑洞身所处为黄土地层，为防止注浆时浆液中的水分流失引起黄土的湿陷，注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆。水玻璃浓度35 Be′，水泥浆与水玻璃浆液体积比为1∶1～1∶0.6，注浆施工前，先进行现场注浆试验，确定合理的浆液配合比，控制好凝结时间，确保注浆加固效果。注浆压力初压宜控制在0.5～1.0 MPa，终压宜控制在2.0 MPa。注浆过程中应加强下行包通道的隆起及变形监测，可适当调整注浆压力，防止注浆引起通道隆起或开裂。注浆量达到设计注浆量、注浆压力达到设计终压并继续注浆10 min以上后可结束注浆；注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆，做好注浆记录，以便分析注浆效果。

2.2分部开挖

由于本隧道为浅埋黄土隧道，跨度较大，为更好地控制沉降，采用双侧壁导坑法开挖(见图4)，上台阶预留核心土，掌子面喷混凝土封闭。左、右洞室前后错开15 m，上下台阶纵向错开3 m左右。

图4　双侧壁导坑法开挖示意图

施工时应严格按照 “管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针组织实施暗挖施工并严格按照设计要求施作锁脚锚杆，确保每榀钢架脚步的稳定。侧壁导坑开挖后，及时施工初期支护并尽早形成封闭环。

根据数值模拟计算分析，双侧壁导坑法施工在拆除内部临时支撑施作二次衬砌时，变形较大。因此，施工时严格控制一次拆撑范围，临时支撑分部拆除，二次衬砌混凝土分次浇筑。

首先，根据监测情况，分段(4～6 m)凿除临时中隔壁底部喷混凝土(保留型钢，浇入二次衬砌以保证中隔壁的支撑作用)，施工仰拱范围的防水板及混凝土保护层，浇筑仰拱混凝土(见图5)。

然后，纵向分段(4～6 m)拆除①和②导洞之间的中隔板，施作边墙衬砌(见图6)。新浇混凝土达到设计强度的75%后，架设临时支撑(可采用型钢或钢管支撑)，顶紧边墙衬砌。由于衬砌内表面为弧形，考虑后期方便支顶连接，可在衬砌浇筑时在衬砌表面预埋t=20 mm的钢板。

图5　分段施作仰拱衬砌

图6　分段施作边墙衬砌

最后，拆除剩余的中隔板和中隔壁，敷设防水层，施作拱部二次衬砌，二次衬砌封闭成环(见图7)。拱部衬砌达到设计强度后，拆除衬砌临时支撑，施作仰拱填充混凝土[6]。

图7　分段浇筑拱部衬砌

2.3回填压浆

初期支护施工时，在拱部会留下部分空隙，使初期支护与围岩不能完全密贴。另外，复合式衬砌结构在初期支护和二次衬砌之间设有一层全封闭的防水层，使初期支护和二次衬砌之间无法做到严密无缝，加之在混凝土灌注时，拱部会存在一定的空隙，对控制沉降变形很不利。因此，需采取回填压浆措施，确保围岩、初期支护及二次衬砌共同受力。

2.3.1初期支护背后注浆

初期支护施作时，在拱部150°范围预埋φ42注浆管,长500 mm，环、纵向间距分别为1.0、6.0 m , 当初期支护闭合成环一定长度后,应及时对初衬背后回填注浆加固。浆液采用普通水泥浆，水灰质量比为1∶1～1∶1.5，注浆压力不宜过高，宜控制在0.3～0.4 MPa。

2.3.2二次衬砌背后回填压浆

二次衬砌混凝土灌筑时在拱墙范围预埋5根(拱顶1根，两侧边墙各2根)φ42钢管，长800 mm，纵向间距6 m，对二次衬砌背后进行回填注浆。浆液采用水泥浆，水灰质量比为1∶0.4～1∶0.5，在水泥浆中添加2%～3%的微膨胀剂，注浆压力根据现场实际情况确定，但不小于0.2 MPa。

3地下行包通道沉降分析

采用MIDAS-GTS软件对下穿行包通道段前后15 m范围进行了三维模拟计算，分析下部隧道施工对上部行包通道结构的影响以及结构自身的安全特性。计算时将围岩视为理想弹塑性材料，符合Mohr-Coulomb屈服准则，结构材料均采用线弹性本构模型；假定地表面和各土层均呈匀质水平层状分布；不考虑岩体的构造应力场，只考虑自重应力场[2]。

3.1数值模型

该区域地层岩性较差，沉降波及范围较广，应扩大横向位移边界的选取范围，故模型横向宽度定为约4倍洞跨(80 m)，区间隧道纵向取30 m，竖向取值为40 m(见图8)。

图8　模型示意图(单位： m)

洞内开挖采用双侧壁导坑法分部开挖，上台阶长度控制在3 m左右(见图9)。

图9　数值模型开挖示意图

支护采用板单元，围岩及二次衬砌采用实体单元，型钢临时支撑采用梁单元模拟，支护结构示意见图10。大管棚、小导管及注浆等超前预支护加固的作用采用提高地层参数模拟[7]。

图10　支护结构示意图

3.2区间结构材料及地层参数

区间隧道初期支护及开挖临时支护采用C25喷射混凝土；行包通道及区间隧道衬砌采用C40钢筋混凝土结构，临时支护钢架为I22a型钢；地层为第四系中更新统黄土地层。计算分析中所选用支护结构及围岩的物理参数如表1所示。

表1　区间结构材料及地层参数

3.3计算结果及分析

通过数值模拟计算，分析各个主要施工阶段关键位置位移及结构应力，根据其受力特点，得出各施工阶段对结构的影响程度[3]。全部开挖完成并施作支护结构后，区间隧道结构累计变形和周边土体累计变形最大(见图11)。

图11　隧道结构竖向位移云图(单位： m)

从隧道结构在施工各个阶段的位移云图、位移变化曲线及关键节点的位移变化可知，对于区间隧道关键部位而言，在开挖关键点周围洞身围岩时，对相应处的竖向位移都有一定程度的影响，在施作二次衬砌及拆除临时支护时，此种影响最明显。因此，在施作二次衬砌时，应注意各个施工工序间的衔接转换，将其影响降到最低，水平位移在整个开挖过程中变化较小，最终区间隧道仰拱隆起值为27.77 mm，拱顶沉降值为5.89 mm。

对于上方行包通道而言，区间隧道开始施工至开挖到底板正下方围岩过程中，下方隧道施工对上方行包通道的影响较小，之后下方隧道每步开挖施工对其均有一定程度的影响，此后在施作二次衬砌及拆除临时支护时，对底板的影响相对较大，最终隧道支护完成时，底板最大沉降值为2.67 mm(见图12)。

图12　支护完成通道结构竖向位移云图(单位： m)

Fig. 12Vertical displacement of baggage-dedicated gallery after lining construction(m)

综上所述，下部区间隧道在开挖及初期支护施工过程中，对上方的行包通道影响相对较小，在拆除临时支护及施作二次衬砌时，其影响相对较大，但最终行包通道底板的沉降值小于3 mm，能够满足既有结构的安全要求[8]。

4施工监测

在黄土隧道施工中由于黄土具有强度低、自稳能力差、受水影响强烈和围岩变形显著等特点，因而监控量测对于该类隧道的施工安全尤为重要，尤其在下穿机场行包通道段施工安全风险高，施工过程中必须加强监控量测工作，主要包括暗挖隧道洞内监测、地下行包通道变形监测及地面沉降监测。暗挖隧道洞内监测主要包括初期支护的拱顶下沉、净空位移及隧底隆起[9](见图13)。地下行包通道的监测项目主要包括拱顶下沉监测、水平收敛监测及底板变形监测(见图14)。

图13　洞内初期支护监测示意图

图14　行包通道结构监测示意图

监控量测工作必须及时施作，密切关注暗挖隧道及地下行包通道拱顶、边墙中部及仰拱(底板)的位移值，并及时分析整理，当发现变形速率增大超出警戒值时，应立即浇筑二次衬砌或先行构件支顶，严格控制变形发展[10]。

5结论与建议

浅埋暗挖大跨黄土隧道下穿地下行包通道施工风险很高，通过采用三维数值模拟方法对下穿地下行包通道沉降分析，做好关键步序的沉降控制，施工时通过采取加强超前预支护、分步开挖及初期支护和二次衬砌背后注浆及加强监测等措施，能够保证隧道施工和既有行包通道的结构安全，施工时注意以下几个方面的问题：

1)在下穿段隧道施工前，建议由业主组织专家评审，对既有地下行包通道进行评估，确定合理的沉降控制标准[11]。

2)及时施作区间隧道二次衬砌，并注意各个施工工序间的衔接转换，将其对上部行包通道的影响降到最低。

3)新建暗挖隧道在下穿行包通道段正下方施工时，施工单位与机场方面协商，必要时暂停该条通道的运营，确保隧道施工安全及行包通道的运营安全。

参考文献(References)：

[1]蔺云宏,李冀伟,刘砚鹏,等.地铁隧道下穿既有建筑物的矿山法研究[J].工业安全与环保,2013,39(5): 74-77.(LIN Yunhong,LI Jiwei,LIU Yanpeng,et al. A study on mine tunneling method of constructing a tunnel beneath the existing building[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 2013,39(5): 74-77.(in Chinese))

[2]王航,刘涛,米凯,等.大跨浅埋隧道施工三维数值分析及稳定性评价[J].地质工程界,2009,12(5): 68-72.(WANG Hang,LIU Tao,MI Kai,et al. Three-dimensional numerical analysis and stability evaluation of large-span shallow-buried tunnel construction[J]. Geotechnical Engineering World, 2009,12(5): 68-72. (in Chinese))

[3]罗启斌,王金山,林立彬. 大跨地铁隧道施工对既有人行通道影响的数值模拟分析[J].北方交通,2009(6): 133-135.(LUO Qibin,WANG Jinshan,LIN Libin. Analysis of numerical simulation of influence of long span tunnel construction of subway on pedestrian channel[J]. Northern Communications,2009(6): 133-135. (in Chinese))

[4]杨虹,韩金刚.穿越既有线超浅埋暗挖通道的质量监控[J].铁道工程学报,2005(5): 71-74.(YANG Hong,HAN Jin’gang.The quality supervision of passing the exiting line adopted the super shallow buried subsurface excavation method[J].Journal of Railway Engineering Society, 2005(5): 71-74. (in Chinese))

[5]柏威.地铁浅埋暗挖隧道软弱围岩超前管棚施工技术[J].建材技术与应用,2009(6): 29-30.(BAI Wei. Construction technology of the shallow tunnel ahead pipe roof in weak rock[J]. Research & Application of Building Materials, 2009(6): 29-30. (in Chinese))

[6]何秀文.浅谈双侧壁导坑法在黄土隧道施工中的应用[J].江西建材,2014(3): 212-213.(HE Xiuwen. Introduction for the application of double side-wall heading construction method in the loess tunnel [J]. Jiangxi Building Materials,2014(3): 212-213. (in Chinese))

[7]陈敬军,王海祥.暗挖隧道近接上穿地铁盾构隧道的施工模拟[J].铁道建筑,2011(10): 44-47.(CHEN Jingjun,WANG Haixiang. Construction simulation of mined tunnel crossing above Metro shield tunnel[J].Railway Engineering, 2011(10): 44-47.(in Chinese))

[8]高峰,边巴次仁,赵冯兵. 地铁隧道下穿人行地下通道施工稳定性分析[J].隧道建设,2010,30(1): 90-93.(GAO Feng,BIANBa Ciren,ZHAO Fengbing.Analysis on stability of Metro tunnel crossing underneath underground pedestrian passage[J].Tunnel Construction,2010,30(1): 90-93. (in Chinese))

[9]刘旭全,王永玺,雷向锋,等.监控量测技术在客运专线大断面黄土隧道中的应用[J].铁道工程学报,2007(增刊): 352-358.(LIU Xuquan,WANG Yongxi,LEI Xiangfeng,et al.Application of suppervision,control and measure method to large section loess tunnel of passenger-dedicated line[J].Journal of Railway Engineering Society, 2007(S): 352-358. (in Chinese))

[10]吕波.紧邻建筑物浅埋暗挖大断面隧道施工技术研究[J].铁道标准设计,2006(10): 83-85.(LV Bo. Construction technology research of shallow-buried wide span tunnel adjacent to building[J].Railway Standard Design, 2006(10): 83-85. (in Chinese))

[11]阮清林.浅埋隧道地表密集建(构)筑物评估及对策[J].现代隧道技术,2012,49(3): 138-144.(RUAN Qinglin.Evaluation of the dense residential houses above shallow-buried tunnels and its construction measures[J].Modern Tunnelling Technology,2012,49(3): 138-144.(in Chinese))

E-mail： 17962123@qq.com。

Settlement Analysis on and Countermeasures for Shallow-covered

Large-span Loess Tunnel Constructed by Mining Method Crossing Underneath

Baggage-dedicated Gallery of Airport

TANG Xinquan

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

Abstract:The settlement, deformation and concrete structure crack, may occur to the gallery due to the high construction risk and irrational construction of the shallow-covered large-span loess tunnel. In this paper, in order to satisfy the requirements of the baggage-dedicated gallery and to control the settlement, 3D numerical simulation method is used to analyze the settlement caused by new tunnel crossing underneath baggage-dedicated gallery of the airport. In addition, some effective measures, such as strengthening the monitoring and using effective technologies (including excavation step by step, advance support by means of large-diameter pipe roof and grout backfilling behind primary support and secondary lining) have been adopted to minimize the settlement of the baggage-dedicated gallery. The settlement of the gallery floor is limited to about 3 mm, which guarantees the safety of the baggage-dedicated gallery.

Keywords:large-span loess tunnel; crossing underneath baggage-dedicated gallery; shallow-cover mining method; 3D numerical simulation; settlement analysis; double-side heading; large pipe roof; backfill grouting

中图分类号：U 455.4

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)01-0080-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.012

作者简介：唐新权(1978— ),男，河北抚宁人，2000年毕业于石家庄铁道学院,隧道及地下工程专业，本科，高级工程师，现从事地下工程设计工作。

收稿日期：2015-07-19； 修回日期： 2015-09-24